АКТИВНАЯ ОПТИКА

АКТИВНАЯ ОПТИКА, в астрономии – электронно-механическая система для автоматического поддержания идеальной формы и правильного расположения оптических элементов телескопа-рефлектора, прежде всего – его главного и вторичного зеркал.

Идеальную форму (параболоид, гиперболоид или сфера – в зависимости от оптической схемы телескопа) стараются придать зеркалам при их изготовлении на оптическом предприятии, но нередко при этом остаются невыявленные дефекты. Дальнейшее ухудшение качества зеркал происходит в процессе их транспортировки и сборки телескопа в башне обсерватории. При эксплуатации телескопа его элементы подвергаются переменным механическим и термическим нагрузкам, вызванным поворотами телескопа при его наведении на объекты наблюдения, суточными перепадами температуры и т.п. Особенно сильно искажают форму главного зеркала телескопа его повороты по высоте; они же приводят к переменному гнутию конструкции телескопа, сбивая настройку оптических элементов.

Исторически поддержание формы оптических элементов телескопа основывалось на их жесткости. До конца 19 в. основным инструментом астрономов был телескоп-рефрактор, имеющий линзовый объектив. С ростом диаметра и веса линз поддерживать их форму становилось все сложнее, поскольку крепление линзы возможно лишь по ее периметру. Когда диаметр линзовых объективов достиг 1 м, технические возможности оказались исчерпаны: два крупнейших в мире линзовых телескопа – рефрактор Ликской обсерватории (шт. Калифорния, США) с объективом диаметром 91 см и рефрактор Йеркской обсерватории (шт. Висконсин, США) с объективом в 102 см были сооружены около 1890 и до сих пор не превзойдены. Более крупные объективы для полноповоротных телескопов никогда не изготавливались. На Парижской выставке 1900 демонстрировался неподвижный горизонтальный телескоп-рефрактор с объективом в 125 см и сидеростатом для наведения на объекты, но для научной работы он не использовался. До тех пор, пока линзы делаются из стекла, вряд ли удастся изготовить объективы большего размера. Даже если оптическое качество стеклянного диска окажется превосходным, огромные линзы будут прогибаться под собственным весом.

Проблему деформации объектива удалось решить путем перехода к телескопам-рефлекторам: жесткая монтировка телескопа поддерживает зеркальный диск объектива по всей его нижней поверхности, препятствуя изгибу. Теперь такие оптические системы называют «пассивными». Вес зеркала удавалось значительно снизить без потери жесткости, придав ему форму пчелиных сот и оставив сплошной только верхнюю, зеркальную поверхность. Наконец, для наиболее крупных зеркал диаметром 2,5–6,0 м была разработана механическая система разгрузки, поддерживающая зеркало снизу в нескольких точках так, что сила упора зависит от положения телескопа: чем ближе к зениту наблюдается объект, а значит, чем более горизонтально располагается главное зеркало телескопа, тем сильнее упираются в него снизу поддерживающие элементы, не позволяя зеркалу прогибаться. Фактически, это стало первым шагом к системам активной оптики.

Главной особенностью современных астрономических систем активной оптики является линия обратной связи, позволяющая контролировать качество изображения и при необходимости исправлять его путем управляемой деформации главного зеркала и перемещения вторичного зеркала телескопа (рис. 1). Контроль осуществляется по изображению гидировочной звезды, которая выбирается на небе вблизи от изучаемого источника и одновременно используется для точного ведения телескопа за объектов (т.е. для гидирования). Размещенный у выходного зрачка телескопа анализатор волнового фронта исследует изображение звезды, пропущенное через матрицу из небольших линз. Каждая линза строит изображение звезды, которое регистрируется ПЗС-матрицей. Разработано несколько способов выявления кривизны волнового фронта – по взаимному положению изображений, по степени их контраста и др. Чтобы результат анализа не зависел от случайного атмосферного дрожания изображения, измерения накапливаются и усредняются на интервалах в 20–30 сек. По данным анализатора волнового фронта компьютер вырабатывает управляющие сигналы, которые усиливаются и передаются на многочисленные механические домкраты (рис. 2), упирающиеся снизу с необходимым усилием в главное зеркало или слегка перемещающие вторичное зеркало.